新型螺栓球-H型鋼梁節點力學特性分析

王鵬月,孫 強,謝 堅

(1.安徽建筑大學 土木工程學院,安徽 合肥 230601;2.中建材(合肥)鋼構科技有限公司,安徽 合肥 230022)

二十世紀以來,空間網架結構因具有良好的受力性能和方便快捷的施工方法得到了飛速發展,其結構形式和設計理論也在不斷創新。熟料庫是水泥廠的重要儲存庫,其屋蓋體系常采用網架結構,隨著水泥熟料產量增加,熟料庫儲存量和跨度不斷增加,在“碳達峰、碳中和”目標下,熟料庫網架結構迎來了技術革新,迫使熟料庫網架結構設計水平亟需提升。

現已有不少國內外學者對熟料庫網架結構和螺栓球節點的力學性能進行了研究,余貞江等[1]通過對φ60 m水泥熟料庫網架的靜、動態特性分析,探討了拉鏈機和設備以及溫度荷載對網架的影響。朱玉林等[2]對熟料庫網架結構進行改良,提出了一種焊栓結合的網架形式,在支座處使用焊接球,避免了大直徑螺栓的使用,同時降低了造價。洪琨[3]等利用SAP2000對φ60 m的熟料庫網架進行靜力性能分析,結果表明,恒荷載和溫度荷載對網架的影響較大,各種工況下網架的撓度均滿足規范要求。喻曉晨等[4]利用Abaqus研究了螺栓球節點的靜力和滯回性能,研究表明:節點受壓時,套筒承受主要壓力,受拉時錐頭和螺桿受力較大,同時節點具有較好的延性和抗震性能。閆崴等[5]利用有限元軟件建立了鋁合金螺栓球精細化模型,研究了鋁合金螺栓球節點螺紋軸向力的分布特性,結果表明:螺栓球的材料和螺栓擰入深度對結果影響較大,并推導了節點螺紋軸向力分布的計算公式。Qinghong S等[6]通過試驗和對含螺紋裂紋擴展的螺栓球節點的彎曲斷裂行為進行了研究,結果表明:螺紋的最大應力發生在與螺栓球相同的位置,大小隨著螺紋半徑的增加而降低,并提出了一種新的螺栓球斷裂段抗彎承載力公式。

目前,對于熟料庫網架的研究大多數是對網架整體的力學特性進行分析,針對熟料庫網架力學性能改良的研究較少,因此結合具體工程,研究熟料庫網架的力學性能改良是很有必要的。本文以合肥南方水泥熟料庫網架為研究對象,提出了一種新型螺栓球-H型鋼梁網架,并用有限元軟件Abaqus建立了不同參數的新型螺栓球-H型鋼梁網架節點模型,研究了節點在受拉、受壓和受彎狀態下力學性能。

1 新型螺栓球-H型鋼梁節點設計

1.1 節點構造

南方水泥熟料庫屋蓋系統為圓臺面螺栓球鋼網架結構,其圓臺面為庫頂房的平臺基礎,承擔了拉鏈機、收塵器等設備的荷載。庫頂房平臺網架為正放雙層四角錐網架,其上弦構造是在網架上弦螺栓球上焊接支托,再在支托上架設H型鋼梁,H型鋼梁上鋪設屋面板和混凝土層,因此上部荷載較大。這種結構形式不僅增加了用鋼量,而且增加了施工難度和周期。為克服上述問題,提出了一種新型螺栓球-H型鋼梁網架,省去了網架上弦桿和支托,傳統網架和新型網架構造如圖1和圖2所示。

圖1 傳統網架上弦構造

圖2 新型螺栓球-H型鋼梁網架上弦構造

新型螺栓球-H型鋼梁節點由螺栓球半球、空心圓柱體、節點板、連接板、高強螺栓和H型鋼梁組成,如圖3所示。螺栓半球可由傳統螺栓球切割得到,其構造和傳統螺栓球一樣,球上開孔,通過高強螺栓和桿件連接,螺栓半球和空心圓柱體焊接,在空心圓柱體周圍焊接節點板,H型鋼梁腹板開孔通過高強螺栓和節點板連接,為提高節點剛度和承載力,H型鋼梁的上下翼緣通過連接板和圓柱體焊接。新型節點形式的網架省去了網架的上弦桿和支托,節省了鋼材,施工無需搭設檁托和檁條,降底了施工難度。

圖3 新型螺栓球-H型鋼梁網架節點構造

1.2 幾何尺寸

為研究節點的受力性能,以圓柱體厚度,節點板厚度和高強螺栓個數為變參,建立4個節點模型,變參具體尺寸見表1。螺栓半球φ為220 mm,H型鋼梁截面尺寸為300×200×10×14,長度為400 mm,高強螺栓型號均為M20,性能等級為10.9級,為加載方便,在鋼梁端部設置加載板,加載板尺寸為350×250×20。節點受壓、受拉和受彎均以這4組模型進行研究。

表1 模型變參幾何尺寸

2 有限元模型的建立

2.1 單元類型及本構關系

采用有限元軟件Abaqus進行建模,模型構件均采用8節點六面體減縮積分實體單元C3D8R。鋼材材料均為Q235B,采用雙折線本構關系,如圖4所示。鋼材屈服強度、抗拉強度和塑性應變等參數根據文獻[7]中的材性試驗取值,泊松比為0.3,高強螺栓的本構關系取理想彈塑性模型,10.9級高強螺栓其屈服強度為900 MPa。

圖4 鋼材的本構曲線

2.2 網格劃分及接觸設置

模型各個構件較為規則,可通過拆分幾何元素命令將各個部件進行拆分,網格類型均為六面體結構化網格。節點板和鋼梁腹板、高強螺栓螺帽和節點板、高強螺栓螺桿和節點板之間采用表面與表面接觸,切向行為定義為罰函數摩擦模型,摩擦系數為0.15,法線行為定義為硬接觸;螺栓球半球和圓柱體、圓柱體和節點板、圓柱體和連接板之間采用“Tie”綁定約束。

2.3 加載方式及邊界條件

模型共設置了3個分析步驟:① 施加螺栓荷載,模擬螺栓預緊力,查閱規范[8]知M20高強螺栓的預緊力為150 kN;② 固定螺栓當前長度;③ 在模擬節點受拉和受壓時,對一側鋼梁施加相應X方向的位移,另一側鋼梁完全固定;在模擬節點受彎時,兩側鋼梁加載板完全固定,在螺栓半球上施加Z負方向的位移。為方便施加荷載,在兩側鋼梁端部設置加載板,有限元模型如圖5所示。

圖5 節點有限元模型

3 結果分析

3.1 節點失效準則

由模擬結果可知,該節點在受壓、受拉和受彎作用下,其荷載-位移曲線沒有明顯的屈服點和加載后期的下降段,將節點的抗壓、抗拉、抗彎剛度降低為初始剛度Ki的95%后的點作為節點的屈服點,將抗拉、抗壓、抗彎剛度降低為初始剛度Ki的10%的點作為節點的極限承載力點[9]。

3.2 節點受壓

3.2.1 節點受壓荷載-位移曲線

為了研究節點在受壓狀態下的力學性能,對梁端加載點處的荷載-位移曲線進行分析,如圖6所示。從圖中可以看出,4組節點的荷載-位移曲線有著相同的走勢,節點具有很強的抗壓性能。在彈性階段,節點的載荷-位移曲線呈現出線性關系,位移隨著載荷均勻地增加。而隨著載荷的增大,載荷-位移曲線的斜率逐漸下降,節點進入彈塑性階段,節點的抗壓剛度也逐漸降低。由變參結果可知,增加圓柱體厚度、節點板厚度和頂板厚度均可提高節點的抗壓剛度和抗壓承載力。其中,增加圓柱體厚度最為明顯,其抗壓剛度和極限承載力最大,抗壓屈服荷載和極限承載力分別為1 478和2 270 kN,極限承載力較第一組增加了22.7%。由此可知圓柱體的厚度對節點的抗壓性能有較大影響;其次是增加頂板厚度,極限承載力較第一組增加了12.4%,增加節點板厚度對節點的抗壓性能影響不大。

圖6 節點受壓荷載-位移曲線

(a) 彈性階段應力云圖

3.2.2 節點受壓受力分析

以第一組節點為例,從彈性階段,彈塑性階段和加載后期3個時期的應力云圖來分析節點受壓的受力特點,如7圖所示。從圖中可以看出,在彈性階段,各構件應力水平較低,最大應力在高強螺栓處,為639.8 MPa。連接板和圓柱體連接處以及圓柱體頂板受力較為明顯,承擔主要壓力;隨著荷載的增加,連接板和圓柱體上下連接處表面先發生屈服,形成塑性鉸,隨后鋼梁上翼緣也進入屈服,節點板與圓柱體接觸面上下兩端受力較大,但未達到屈服;進入加載后期,頂板和連接板基本全部屈服,頂板發生擠壓變形,圓柱體表面的塑性區域逐漸擴大,上下兩端壓縮變形,節點板連接處也受壓屈服,隨著圓柱體和頂板擠壓變形較大,節點失去承載能力。

3.3 節點受拉

3.3.1 節點受拉荷載-位移曲線

取梁端加載點處的荷載-位移曲線進行分析,如圖8所示。從圖中可以看出,4組節點受拉的荷載-位移曲線趨勢相同。在彈性階段,位移隨著荷載均勻增加;隨著荷載的增加,構件達到抗拉屈服強度,剛度逐漸降低,節點進入彈塑性階段,荷載-位移曲線斜率逐漸降低。從變參結果來看,增加圓柱體厚度對增加節點抗拉剛度和承載力最為明顯,其抗拉屈服荷載和極限承載力分別為1 463和2 230 kN,極限承載力較第一組增加了16.2%;其次是增加頂板的厚度,極限承載力較第一組增加了13.9%,增加節點板厚度對節點的抗拉性能影響不大。

3.3.2 節點受拉受力分析

以第一組節點受拉為例,從彈性階段,彈塑性階段和加載后期3個時期的應力云圖來分析節點受壓的受力特點,如圖9所示。從圖中可以看出,在彈性階段,拉力主要有鋼梁上下翼緣承擔,連接板與圓柱體連接處受拉力較大,節點板處受力較小;隨著拉力的增加,下連接板處先達到屈服強度,隨后上連接板也達到屈服,圓柱體下部與連接板連接處應力水平較大,形成塑性鉸;鋼梁上下翼緣的兩端即將達到屈服強度,腹板和節點板受力較小,仍處于彈性階段,圓柱體頂板已經幾乎全截面屈服,節點的抗拉剛度逐漸降低,節點進入彈塑性階段;荷載進一步增加,上下連接板和頂板均已全截面屈服,圓柱體表面塑性范圍進一步擴大,節點板連接處應力水平最大,上端已經屈服,由于模型對于焊縫采用綁定的接觸,無法看到焊縫拉斷的現象,但可以從應力云圖中看到材料達到極限應力的狀態,可以判斷節點的破壞模式為連接板和圓柱體連接焊縫處被拉斷,節點失去承載能力。

(a) 彈性階段應力云圖

3.4 節點受彎

3.4.1 節點受彎荷載-位移曲線

為研究節點的受彎性能,將兩端鋼梁完全固定,在螺栓球半球上施加Z軸負方向的位移,模擬節點受彎,提取加載點的荷載-位移曲線進行分析,如圖10所示。從圖中可以看出,在彈性階段,荷載-位移曲線呈線性上升,節點有著較大的抗彎剛度,隨著荷載的增加,曲線的斜率逐漸降低,節點進入彈塑性階段,位移變化加快,抗彎剛度逐漸降低。和第一組相比,其余3組節點的初始抗彎剛度和極限承載力均有所提高,其中第二組增加圓柱體厚度對節點的受彎性能影響最大,其屈服荷載和極限承載力分別為767和1 094 kN,比第一組分別提高了12.8%和6.2%;其次是第三組增加節點板的厚度,其屈服荷載和極限承載力分別為733和1 070 kN,比第一組分別提高了7.8%和3.9%,改變頂板厚度對節點的受彎性能影響不大。

圖10 節點受彎荷載-位移曲線

3.4.2 節點受彎受力分析

以第一組節點受彎為例,從彈性階段,彈塑性階段和加載后期3個時期的應力云圖來分析節點受彎的受力特點,如圖11所示。從圖中可以看出,在彈性階段,鋼梁腹板應力水平較大,明顯高于鋼梁翼緣,上下連接板與圓柱體連接處受力較大,節點板下端受較大的壓力。隨著荷載增加,節點板下端與圓柱體連接受壓處先達到屈服,隨后鋼梁腹板與下連接板連接處也達到屈服,鋼梁腹板應力水平進一步提高。彎矩作用下,高強螺栓受到剪力,切應力逐漸增大,圓柱體上部受拉,下部受壓,但仍未屈服。到加載后期,鋼梁腹板全截面屈服,節點板屈服面積增大,節點板內側螺栓孔處受拉屈服,上連接板和頂板受拉,下連接板受壓,均達到全截面屈服,高強螺栓也達到屈服應力,圓柱體受到節點板擠壓,發生壓縮變形。隨著荷載的增加,變形進一步變大,節點受彎破壞。

4 結論

1) 節點在受壓作用時,圓柱體厚度、節點板厚度和圓柱體厚度均對節點承載力有影響,圓柱體厚度影響最大,厚度增加4 mm,其抗壓承載力提高了22.7%,節點受壓時,圓柱體和頂板會發生較大的壓縮變形,導致節點破壞。

2) 節點在受拉作用時,圓柱體厚度、節點板厚度和頂板厚度對節點的剛度和承載力影響不大,連接板和圓柱體連接焊縫處最先達到屈服,焊縫質量是受拉承載力的關鍵。

3) 節點在受彎作用時,圓柱體厚度、節點板厚度和頂板厚度的增加會增加節點的抗彎剛度和極限承載力,圓柱體厚度影響最大,厚度增加4 mm,其承載力提高了6.2%,改變頂板厚度對節點的受彎性能影響不大,加載后期圓柱體下部受壓發生壓縮變形,節點破壞。

4) 新型螺栓球-H型鋼梁網架節點均具有較高的抗壓、抗拉和抗彎承載力,可以滿足熟料庫網架的設計荷載要求。